磁性電流傳感器可提高電源應(yīng)用的效率

轉(zhuǎn)換和電源管理應(yīng)用越來(lái)越需要具有可靠性、耐用性和準(zhǔn)確性特征的電流傳感器的可用性。下一代電子設(shè)備將面臨重大技術(shù)挑戰(zhàn)，這將影響電源管理性能和效率。電流傳感器對(duì)于監(jiān)測(cè)負(fù)載吸收的功率以及控制和保護(hù)電源所必需的，必須仔細(xì)選擇，不時(shí)從霍爾效應(yīng)傳感器、變壓器、分流電阻器或 AMR 中選擇最適合特定應(yīng)用的解決方案?jìng)鞲衅?。根?jù)電絕緣的類型，電流傳感器可分為兩類：隔離式傳感器和非隔離式傳感器。非隔離傳感器適用于低電壓水平的應(yīng)用，通常低于 50 V AC或 120 V DC. 在電壓和功率較高的情況下，或有浮動(dòng)測(cè)量時(shí)，必須使用隔離傳感器。第一種類型的隔離傳感器可以使用分流電阻器和光學(xué)或電容絕緣體制成。另一種解決方案是使用磁電流傳感器。第一種方案除了分流電阻器外還需要一定數(shù)量的外部元件，而第二種方案是單芯片解決方案，只需要一個(gè)集成磁性 IC。

磁性電流傳感器

磁性電流傳感器可用于任何需要進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，包括：

數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器和電信的電源。第一階段將交流電源（單相或三相）轉(zhuǎn)換為直流電壓，通常包括 PFC 電路以實(shí)現(xiàn)更高的效率。以下階段由一個(gè)或多個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器表示，這些轉(zhuǎn)換器生成負(fù)載所需的電壓（48V、12V 以及單個(gè) CPU 的低至 1V）；

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和逆變器。此處，第一級(jí)是帶 PFC 的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器，然后是三相 DC-AC 逆變器；

不間斷電源 (UPS)。帶有 PFC 的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器之后是電池充電器和電池組本身，直到 DC-AC 逆變器；

EV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電池管理。此應(yīng)用中涉及的不同階段如圖 1 所示。在這種情況下，作為進(jìn)一步的輸出階段，我們有兩個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)充電器來(lái)為 12V 和 48V 電池供電。

圖 1：EV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和 BMS 應(yīng)用

所有列出的應(yīng)用都需要在電路的相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的電流測(cè)量，因此需要準(zhǔn)確可靠的傳感器。對(duì)于圖 1 的示例，隔離的電流測(cè)量點(diǎn)用綠色圓圈表示。黑色圓圈代表非隔離電流測(cè)量。

在云/連接/5G/AI、Industry4.0、EV/Electrification、Fast SiC和GaN器件等應(yīng)用的推動(dòng)下，磁性電流傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2019年的1.3B美元增長(zhǎng)到2024年的2.0B美元。效率是電源的主要關(guān)注點(diǎn)。80 Plus 標(biāo)準(zhǔn)所預(yù)見(jiàn)的最高效率水平，即 80 Plus Titanium，要求所有部分額定負(fù)載（10、20、50 和 100%）的效率都在 90% 以上，而在 50% 的額定負(fù)載下效率高達(dá) 96% . 碳化硅和氮化鎵等寬帶隙半導(dǎo)體 (WBG) 將有助于實(shí)現(xiàn)這些效率水平。WBG 通常具有約 50 倍的開(kāi)關(guān)速度、3-5 倍的低電阻和更高的擊穿電壓、3 倍更好的熱傳導(dǎo)和更小的占位面積。電源將變得更小、更高效、控制更順暢，但同時(shí)需要更高的帶寬、精度、

傳感器選擇標(biāo)準(zhǔn)

在選擇電流傳感器時(shí)，必須評(píng)估一些標(biāo)準(zhǔn)（或關(guān)鍵規(guī)格）。其中包括：

標(biāo)稱電流和過(guò)電流要求、電流源（交流或直流）、電流方向（單向或雙向）；

溫度范圍內(nèi)的精度：數(shù)據(jù)表應(yīng)指明總誤差和讀數(shù)百分比與滿量程百分比的關(guān)系；

支持功率級(jí)開(kāi)關(guān)頻率所需的帶寬；

di/dt 測(cè)量給出的輸出階躍響應(yīng)給出了測(cè)量系統(tǒng)需要多快的概念；

溫度范圍;

隔離類型；

解決方案的規(guī)模和成本；

電氣和機(jī)械接口；

其他，包括所需的電源、輸出類型、特性（例如過(guò)電流檢測(cè)）、di/dt 和 dv/dt 耐受??性、UL/IEC 認(rèn)證、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性/易用性。

大多數(shù)隔離式電流傳感器不支持寬禁帶半導(dǎo)體（例如 SiC 和 GaN）典型的高開(kāi)關(guān)速度，而支持它們的產(chǎn)品成本很高。當(dāng)前的趨勢(shì)是通過(guò)創(chuàng)建具有高帶寬和低相位延遲的磁傳感器來(lái)克服有限的帶寬和低響應(yīng)時(shí)間。通過(guò)這種方式，可以獲得顯著的優(yōu)勢(shì)，例如：覆蓋高達(dá) 10 倍開(kāi)關(guān)頻率的帶寬、小于 500 納秒的輸出階躍響應(yīng)時(shí)間、更高的溫度精度、增加的動(dòng)態(tài)范圍、降低更高頻率下的損耗和更小尺寸。

ACEINNA MCx1101

ACEINNA Inc 提供了一個(gè)基于 AMR 技術(shù)的新系列電流傳感器，在具有成本效益的 單芯片外形中實(shí)現(xiàn)了行業(yè)領(lǐng)先的精度、帶寬和階躍響應(yīng)的綜合性能。

基于 AMR 的高精度、寬帶寬電流傳感器可用于各種基于 ADC 和微處理器的電源系統(tǒng)和應(yīng)用。MCx1101 是完全集成的雙向電流傳感器，與替代解決方案相比，可提供更高的直流精度和動(dòng)態(tài)范圍。例如，±20A 版本的典型精度為 ±0.6%，并保證在 85°C 時(shí)達(dá)到 ±2.0%（最大值）的精度。這些新型電流傳感器采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SOIC-16 封裝（見(jiàn)圖 2），具有低阻抗（0.9 毫歐）電流路徑，并通過(guò) UL/IEC/EN 認(rèn)證，適用于隔離應(yīng)用。

圖 2：基于 AMR 的電流傳感器

MCx1101 傳感器還保證在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有 ±60mA 或 FSR（最大值）±0.3% 的偏移，這意味著可以在大約 10:1 的電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度，從而顯著改善動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)于領(lǐng)先基于霍爾傳感器的設(shè)備。新系列器件提供高精度、1.5MHz 信號(hào)帶寬與行業(yè)基準(zhǔn)相移與頻率、快速輸出階躍響應(yīng)和 4.8kV 隔離的獨(dú)特組合，使其成為快速電流控制回路中的電流檢測(cè)和高性能電源保護(hù)的理想選擇電源、逆變器和電機(jī)控制應(yīng)用。MCx1101 的快速響應(yīng)和高帶寬也是基于 SiC 和 GaN 的快速開(kāi)關(guān)功率級(jí)的理想選擇，使電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠利用寬帶隙設(shè)備實(shí)現(xiàn)的更高速度和更小組件。MCx1101 還提供集成的過(guò)流檢測(cè)標(biāo)志，以幫助實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電源系統(tǒng)所需的過(guò)流檢測(cè)。支持的電流范圍為 ±50、±20 和 ±5A，器件提供固定增益 (MCA1101) 和比例增益 (MCR1101) 版本。


審核編輯：劉清